(上海工程技術(shù)大學 化學化工學院 , 上海 201620)
乙醇在工業(yè)、醫(yī)學、生活用品等方面都有著非常廣泛的應用,還可用于制造各種工業(yè)產(chǎn)品,并由此制造出醫(yī)藥、染料、涂料等產(chǎn)品的中間產(chǎn)物[1]。無水乙醇的需求量日益增加,目前大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)無水乙醇使用較多的方法是萃取精餾,而傳統(tǒng)的萃取精餾需要加入大量萃取劑才能夠制得較純的無水乙醇產(chǎn)物,成本高、流程繁瑣。本次模擬采用加堿萃取精餾,將適當?shù)膲A類加入到萃取劑中可以增大無水乙醇產(chǎn)率[2]。本文向乙二醇中加入KOH和NaOH,探究加堿萃取后塔頂乙醇質(zhì)量分率的變化規(guī)律,得出制取無水乙醇的最佳條件。
本研究使用Aspen Plus軟件進行模擬。AspenPlus是一個工業(yè)通用制造流程設計模擬系統(tǒng),其擁有工業(yè)上最齊全的物性系統(tǒng),算法合理,模塊完善,功能齊全,能預測運行流程的操作參數(shù)和設備參數(shù)等[3-4]。模擬開始時建立的工藝理論流程圖如圖1所示。
圖1 模擬流程圖
本文研究回流比、乙醇進料分率、萃取劑含堿量對塔頂乙醇質(zhì)量分率的影響?;亓鞅却笮∮绊懺O備成本和產(chǎn)率[5]。將FEED流股參數(shù)設置為20 ℃,壓力0.1 MPa,總流率設置為100 kg/h,進料乙醇質(zhì)量分率為90%;SOLVENT流股的參數(shù)設置為20 ℃,壓力0.1 MPa,總流率設置為100 kg/h,萃取劑為乙二醇+KOH。模擬開始前先對T1進行靈敏度分析。確認最佳塔板數(shù)為16,萃取劑的進料位置為塔頂上方3號塔。下面以乙醇進料分率90%,萃取劑為10%KOH+90%乙二醇,回流比為2∶1為例演示模擬流程,具體設置如圖2所示。
圖2 T1部分參數(shù)
模擬結(jié)果如表1所示。
表1 模擬結(jié)果
本文使用75%、85%、90%三種不同乙醇進料分率,萃取劑選擇乙二醇,萃取劑含堿量10%、15%、20%,加入的堿為NaOH和KOH,回流比為1∶1、2∶1、3∶1依次進行模擬,研究不同條件對塔頂乙醇質(zhì)量分率的影響。
當乙醇進料分率為90%,萃取劑含堿量為10%時,調(diào)整回流比的大小做3次模擬。模擬結(jié)果如表2所示。
表2 回流比對產(chǎn)物分率的影響
由表2可知,隨著回流比的增大,塔頂乙醇分率先增大再減小,得最佳回流比為2∶1,當萃取劑中堿為KOH時,萃取效果比使用NaOH好。
當乙醇進料質(zhì)量分率為90%,回流比確定為2∶1時,調(diào)整萃取劑含堿量做3次模擬。模擬結(jié)果如表3所示。
表3 萃取劑含堿量對產(chǎn)物分率的影響
由表3可知,隨著萃取劑含堿量的增加塔頂乙醇分率降低,當堿為NaOH時含堿量的增加對乙醇質(zhì)量分率的影響較大,而KOH則較為平緩,且得出的乙醇分率都較高,在99%以上。
當回流比為2∶1,萃取劑含堿量為10%時,調(diào)整乙醇進料分率做3次模擬。模擬結(jié)果如表4所示。
表4 乙醇進料分率對產(chǎn)物分率的影響
由表4可知,塔頂乙醇分率隨乙醇進料分率的增加而增加,兩者成正比關(guān)系,萃取劑中堿為KOH時比NaOH萃取效果更好,產(chǎn)物分率最高可達99.66%。
分析以上模擬和數(shù)據(jù),當回流比為2∶1時萃取效率最高,曲線變化趨勢為先升后降。當萃取劑為10%堿+90%乙二醇時,得出的產(chǎn)物質(zhì)量分率都較大,達99%以上,KOH和NaOH的分離效果都比較好,KOH所萃取出的乙醇分率稍大于NaOH。當含堿量增加時,NaOH的萃取曲線下滑較明顯,而對KOH的分離效果影響不大,產(chǎn)物分率均處在99%以上。乙醇進料分率和產(chǎn)物分率成正比關(guān)系,任何條件下KOH的萃取效率都優(yōu)于NaOH。通過本次模擬結(jié)果可知,加堿萃取無水乙醇的最佳參數(shù)是回流比2∶1,乙醇進料分率90%,萃取劑為10%KOH+90%乙二醇,該條件下塔頂產(chǎn)物質(zhì)量分率為99.66%。
本文利用Aspen Plus軟件模擬加堿萃取精餾乙醇-水體系的完整流程,得出以下結(jié)論:①在萃取劑中加堿能夠提高萃取效果,增大乙醇產(chǎn)率;②在特定的含堿量和乙醇進料分率條件下,能夠制得99.5%質(zhì)量分率以上的無水乙醇;③KOH萃取效果明顯好于NaOH;④雙塔流程可回收大部分萃取劑再利用,在增大萃取效果的同時,降低成本和環(huán)境污染。加堿萃取精餾萃取效率高,節(jié)能環(huán)保,在化工生產(chǎn)中有廣闊的發(fā)展空間。